конспект метрология. Конспект_Тема_1-7 метра. Во всем мире ежедневно производятся сотни, тысячи миллиардов измерений
 Скачать 4.69 Mb.
|
|
. В 1948 г. в основу эталона Ампера были положены то- ковые весы. Последние представляют собой рычажные равноплечие весы, в кото- рых подвешенная подвижная катушка уравновешивается грузом. Подвижная ка- тушка входит в неподвижную коаксиально расположенную катушку. При про- хождении по этим последовательно соединенным катушкам постоянного элек- трического тока подвижная катушка опускается. Для достижения равновесия на противоположное плечо необходимо положить груз. По его массе и судят о силе электрического тока. Погрешность такого эталона не превышает 10 -3 %. В 1992 г. в качестве государственного первичного эталона силы постоянного электрического тока РФ утвержден эталон, позволяющий значительно повысить точность воспроизведения и передачи размера единицы силы тока (1 мА и 1А) с использованием косвенных измерений силы тока I = U/r, причем размер единицы электрического напряжения U – вольт – воспроизводиться с помощью квантового эффекта Джозефсона, а размер единицы электрического сопротивления r – Ом – с помощью квантового эффекта Холла. В 2019 году введено новое определение ампера: электрический ток, соответ- ствующий потоку 1/1,6021766208 × 10 −19 элементарных электрических зарядов в секунду. Для выражения единицы требуется заряд электрона. Единица термодинамической температуры.Термодинамическая темпера- тура является универсальной физической величиной, она характеризует состоя- ние многих физических тел и процессов. Единица термодинамической температуры – Кельвинопределяется как 1/273,16 часть термодинамической температуры тройной точки воды. Тройная точка воды – это такое состояние чистой воды, когда лед, жидкая вода и водяной пар находятся в тепловом равновесии. В условиях вакуума над тающим льдом устанавливается равновесное давление водяного пара, равное р = 611 Па. Этому состоянию приписано значение термодинамической темпера- туры Т = 273,16 К точно. Точка замерзания воды при нормальном атмосферном давлении р = 101 325 Па = 1 атм. расположена ниже тройной точки воды на 0,00993 К. XIII Генеральная ассамблея по мерам и весам в 1976 г. наряду с абсолютной термодинамической шкалой утвердила в качестве производной шкалу Цельсия, определив температуру как t o C = (T – 273,15) K. Единица силы света. В 1967 году XIII Генеральная конференция по мерам и весам утвердила единицу силы света – канделу. Кандела – сила света в направлении нормали к отверстию абсолютно черного тела, имеющего температуру затвердевания платины Т=2045 К и площадь 1/60 см 2 при давлении 101325 Па. В настоящее время воспроизведение единицы силы света с точностью 0,1% возможно с помощью источника (чаще всего используется вольфрамовая ленточ- ная лампа накаливания, которая подбором силы тока излучает как черное тело с температурой 2045 К) и фотоприемника, рассчитанного на измерение энергетиче- ской мощности излучения на длине волны 555 нм. Измерения ведутся в единицах механической мощности – ваттах, а световой поток определяется через механи- ческий эквивалент света, равный 683 люмена на ватт (люмен – единица измерения светового потока). Единица количества вещества. Для удобства описания химических процес- сов в систему СИ введена химическая основная единица – моль. На данный мо- мент принято следующее определение моля: количество вещества системы, кото- рая содержит 6,022140857 × 10 23 специфицированных структурных единиц. Для выражения единицы требуется постоянная Авогадро (число Авогадро). Для эталона числа Авогадро, а через него и моля учёные предлагают создать идеальную сферу из чистого кремния-28.У этого вещества идеально точная кри- сталлическая решётка, так что количество атомов в сфере можно определить, если точно измерить диаметр сферы (с помощью лазерной системы). 3. ПЕРЕДАЧА РАЗМЕРОВ ЕДИНИЦ ФИЗИЧЕСКИХ ЕДИНИЦ Обеспечение правильной передачи размера единицы физической величины осуществляется с помощью поверочной схемы. Поверочная схема – нормативный документ, устанавливающий соподчине- ние средств измерений, участвующих в передаче размера единицы от эталона ра- бочим средствам измерения (с указанием метода и погрешности при передаче). Поверочная схема строится в соответствии с ГОСТ 8.061-80 «ГСИ. Поверочная схема. Содержание и построение» и рекомендациями МИ 83-76 «Методика опре- деления параметров поверочных схем». Различают государственные и локальные поверочные схемы. Государственная поверочная схема – поверочная схема, распространяюща- яся на все средства измерений данной физической величины, имеющиеся в стране. Она разрабатывается в виде государственного стандарта, состоящего из чертежа поверочной схемы и текста, содержащего пояснения к чертежу. Локальная поверочная схема – поверочная схема, распространяющаяся на средства измерения данной физической величины, применяемая в регионе, от- расли, ведомстве или на отдельном предприятии (в организации). Локальная по- верочная схема не должна противоречить государственной. Она не может быть составлена при отсутствии государственной поверочной схемы. Поверочная схема включает эталон, объект поверки (средство измерений), метод поверки. Поверочная схема устанавливает метод передачи размера еди- ницы физической величины или нескольких взаимосвязанных величин. Она включает не менее двух ступеней передачи размера. На чертеже поверочной схемы должны быть указаны: наименование средства измерения и метода по- верки; номинальные значения физической величины или диапазон ее изменения; допускаемые значения погрешности средства измерения; допускаемые значения погрешностей методов поверки. 4. ПОВЕРКА И КАЛИБРОВКА СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ Метрологическая надежность средств измерений (СИ) обеспечивается про- ведением поверки и калибровки путем их периодического проведения через опре- деленное время – межповерочные интервалы. Поверка средств измерений - совокупность операций, выполняемых орга- нами государственной метрологической службы (другими уполномоченными на то органами) с целью определения и подтверждения соответствия СИ установлен- ным техническим требованиям. Виды поверок: Первичная – осуществляется при введении в эксплуатацию нового экзем- пляра СИ, либо после его ремонта; Периодическая – проводится в период эксплуатации СИ, в соответствии с установленными межповерочными интервалами; Внеочередная – выполняется в случае несоответствия знака поверки форме, определенной действующим “Порядком поверки СИ”, воздействия на СИ меха- нических нагрузок или иных неблагоприятных факторов, вызвавших сомнение в правильности его показаний. Инспекционная – производится для выявления пригодности к применению средств измерений при осуществлении государственного метрологического надзора. Поверку средств измерения могут выполнять Государственные научные мет- рологические центры (ГНМЦ), региональные центры метрологии, стандартиза- ции и сертификации (ЦСМ), а также юридические лица и индивидуальные пред- приниматели, аккредитованные в установленном законом порядке. Калибровка СИ – совокупность операций, выполняемых с целью определе- ния и подтверждения действительных значений метрологических характеристик (МХ) и (или) пригодности применению СИ, не подлежащего государственному метрологическому контролю и надзору. В табл. 1 приведены основные требования к поверке и калибровке средств измерений. Таблица 1 КАЛИБРОВКА ПОВЕРКА Порядок проведения Добровольный порядок для СИ, не предназначенных для применения в сфере государственного регулирова- ния обеспечения единства измерений. Обязательный порядок для СИ, допу- щенных к применению в сферегосу- дарственного регулирования в обла- сти обеспечения единства измерений Уполномоченные службы Калибровочные лаборатории или мет- рологические службы юридических лиц с использованием рабочих этало- нов, соподчиненных с государствен- ными эталонами единиц величин. Государственные научные метроло- гические центры, региональные цен- тры метрологии, а также юридиче- ские лица и индивидуальные пред- приниматели, аккредитованные в установленном законом порядке. Результат проведения Определение действительных значе- ний МХ СИ. Подтверждение соответствия СИ установленным техническим требо- ваниям. Способ удостоверения Калибровочный знак, наносимый на СИ и Сертификат о калибровке, а также запись в эксплуатационных до- кументах. Знак поверки и Свидетельство по- верке, в котором указан срок прове- дения очередной поверки Калибровку СИ выполняют калибровочные лаборатории или метрологиче- ские службы юридических лиц с использованием рабочих эталонов, соподчинен- ных с государственными эталонами единиц величин. Средства калибровки (эта- лоны) подлежат обязательной поверке и при проведении калибровочных работ должны иметь действующие свидетельства о поверке. Результаты калибровки позволяют определять: действительные значения из- меряемой величины; поправки к показаниям средств измерений; погрешность средств измерений. Поверка и калибровка осуществляются, как правило, путем одновременного измерения рабочим СИ и эталонными средствами по установленным методикам. Основное принципиальное отличие калибровки от поверки, заключается в следующем: калибровка не относится к процедуре подтверждения соответствия; подтверждением соответствия является только поверка; при калибровке определяются действительные значения МХ СИ и она ско- рее является исследовательской работой. Для рабочих и образцовых СИ, не подлежащих государственным испыта- ниям, опытных и экспериментальных образцов СИ, приобретаемых по импорту в единичных экземплярах или мелкими партиями органами государственной мет- рологической службы проводится метрологическая аттестация. Метрологическая аттестация – это признание СИ узаконенным для приме- нения (с указанием его метрологического назначения и МХ) на основании тща- тельных исследований его метрологических свойств. Метрологической аттестации могут подвергаться СИ, не подлежащие госу- дарственным испытаниям или утверждению типа органами государственных мет- рологических служб, опытные образцы СИ, выпускаемые или ввозимые из-за гра- ницы в единичных экземплярах или мелкими партиями СИ, измерительные си- стемы и их каналы. Основными задачами аттестации СИ являются: – определение МХ и установление их соответствия требованиям норматив- ной документации; – установление перечня МХ, подлежащих контролю при поверке; – опробование методики поверки. Метрологическая аттестация СИ проводится органами государственной или ведомственной метрологической службой по специально разработанной и утвер- жденной программе. Результаты оформляются в виде протокола определенной формы. При положительных результатах выдается Свидетельство о метрологи- ческой аттестации установленной формы, где указывают его установленные МХ. 5. МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРОИЗВОДСТВА И ИСПЫТАНИЙ ПРОДУКЦИИ Метрологического обеспечение – установление и применение научных и ор- ганизационных основ, технических средств, правил и норм, необходимых для до- стижения единства и требуемой точности проводимых измерений. На промышленных предприятиях, где и осуществляется основное использо- вание средств измерений, основная ответственность за организацию метрологи- ческого обеспечения производства возлагается на метрологическую службу пред- приятия. Основные задачи метрологического обеспечения производства: 1) обеспечение единства измерений при разработке, производстве и испыта- ниях продукции; 2) анализ и установление рациональной номенклатуры измеряемых парамет- ров и оптимальных норм точности измерений при контроле показателей качества продукции, параметров технологических процессов, контроле характеристик тех- нологического оборудования; 3) организация и обеспечение метрологического обслуживания средств из- мерений: учета, хранения, поверки, калибровки, наладки, ремонта; 4) разработка и внедрение в производственный процесс методик выполнения измерений, гарантирующих необходимую точность измерений; 5) осуществление надзора за контрольным, измерительным и испытательным оборудованием в реальных условиях эксплуатации, за соблюдением метрологи- ческих правил и норм; 6) проведение метрологической экспертизы конструкторской, технологиче- ской документации; 7) организация и обеспечение метрологического обслуживания испытатель- ного оборудования: учет, аттестация в соответствии с установленными требова- ниями, ремонт; 8) организация и обеспечение метрологического обслуживания средств до- пускового контроля: учет, аттестация, ремонт; 9) организация и обеспечение метрологического обслуживания измеритель- ных каналов измерительных систем: учет, аттестация, поверка, калибровка, наладка; 10) организация и выполнение особо точных измерений; 11) обеспечение достоверного учета расхода материальных, сырьевых и топ- ливно-энергетических ресурсов; 12) внедрение современных методов и средств измерений, автоматизирован- ного контрольно-измерительного оборудования, измерительных систем; 13) разработка и внедрение нормативных документов, регламентирующих вопросы метрологического обеспечения; 14) оценивание экономической эффективности. СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ 1. Метрология, стандартизация и сертификация. Учебник для вузов /Б.Я. Ав- деев, В.В. Алексеев, Е.М. Антонюк и др. Под редакцией В.В. Алексеева. М.: Ака- демия, 2007. 2. Росстандарт. Федеральный информационный фонд по обеспечению един- ства измерений. http://www.fundmetrology.ru. 1. ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ 1.1. Понятие погрешности Понятие точности является основополагающим понятием метрологии, ха- рактеризующем качество любого измерения. Точность характеризует близость к нулю погрешности результата измерения. Количественной оценкой точности яв- ляется погрешность. Абсолютная погрешность результата измерения – это разница между ре- зультатом измерения и истинным значением измеряемой величины. Абсолютная погрешность выражается в единицах измеряемой физической величины и x x х , (1.1) где: x – результат измерения, х и – истинное значение измеряемой физической ве- личины. Так как, истинное значение измеряемой величины не известно, на практике используют действительное значение х 0 этой величины, под которым подразуме- вается значение, найденное экспериментально настолько близкое к истинному, что может использоваться вместо него. 0 x x х , В случае если x – показания измерительного средства, то Δх характеризует погрешность средства измерения равную разности между показаниями средства измерения и действительным значением измеряемой физической величины. Определить абсолютную погрешность результата измерения точно нельзя, т.к. в этом случае возможно определение истинного значения. Используя соответ- ствующие метрологические характеристики средства измерения можно оценить предельные значения абсолютной погрешности в виде ± Δх и из (1.1) определить границы интервала, в котором находится истинное значение измеряемой вели- чины относительно результата измерения х х и = х ± Δх. Этот интервал наглядно представлен на рис. 1.1 Рисунок 1.1 х х -Δх х + Δх х и Вопросы задания метрологических характеристик средств измерений и оце- нивания погрешности измерений являются основными и будут рассматриваться на протяжении всего изучения данного курса. 1.2. Классификация погрешностей Само понятие погрешность уже рассматривалось выше, в этом разделе хоте- лось бы остановиться на том, какие виды погрешностей существуют. Погрешности классифицируются по неким признакам. Обобщенная класси- фикация погрешностей приведена на рис. 1.2. Рассмотрим основные признаки классификации погрешностей. По способу представления погрешности выделяют: Абсолютная погрешность соответствует определению (1.1) и выражается в единицах измеряемой физической величины. Относительная погрешностьопределяется как отношение абсолютной по- грешности к истинному х или действительному значению х д измеряемой физиче- ской величины х 100 д 100 и δ x х x х (%) (1.2) Относительная погрешность является безразмерной величиной, которая, вы- ражается в процентах. Она наглядно отражает точность измерения заданной ве- личины и используется при сравнении результатов измерений. Для характеристики средств измерения относительная погрешность не удобна, так как она может меняться от достаточно больших значений, если изме- рения осуществляются в начале шкалы прибора – в области нуля, до меньших – в конце шкалы. Поэтому используется погрешность, приведенная к диапазону из- мерений измерительного средства – приведенная погрешность 100 γ N x (%), (1.3) где N x – нормирующее значение, определение которого будет рассмотрено в теме 6. Приведенная погрешность – безразмерная величина, выраженная в процен- тах. Она является метрологической характеристикой измерительного средства и может служить основой для определения его класса точности. Класс точности ис- пользуется для определения погрешности результата измерения полученного с помощью данного измерительного средства. Рисунок 1.2 По причине возникновения погрешности различают: Методическая погрешность – погрешность, которая возникает в результате некоторых допущений, упрощений, аппроксимации функциональных зависимо- стей и др. при выборе принципа (метода) измерения. Методическая погрешность обусловлена: отличием принятой модели объекта измерения от модели, адекватно описывающей его свойства (погрешность неадекватности), которое может быть установлено с помощью измерительного эксперимента; выбором метода аналого-цифрового преобразования для цифровых из- мерительных средств. влиянием алгоритмов, по которым производятся вычисления результа- тов измерений (например, алгоритмы нормализации, масштабирования, функ- ционального преобразования для получения результата в цифровых измеритель- ных приборах). Инструментальная погрешность – погрешность, которая определяется не- совершенством аппаратной реализации измерительного средства. Эта погреш- ность зависит от структуры устройства, характеристик электронных элементов схемы, таких как дрейф нуля усилителя, шумов в линиях передачи и контактных соединениях, других особенностей реализации. Погрешность По причинам возникно- вения Методическая Инструментальная Абсолютная Относительная Приведенная По характеру измене- ния Систематиче- ская Случайная По способу представления По характеру изменения измеряемой величины Статическая Динамическая Мультипликатив- ная Аддитивная По влиянию внешних факторов Основная Дополнитель- ная |